不同降雨类型对边坡稳定性的分析与研究

2017-09-12王宁伟颜克顺梁家豪

水利与建筑工程学报 2017年4期

关键词：安全系数渗流降雨

王宁伟，颜克顺，梁家豪

(沈阳建筑大学土木学院，辽宁沈阳 110168)

不同降雨类型对边坡稳定性的分析与研究

王宁伟，颜克顺，梁家豪

(沈阳建筑大学土木学院，辽宁沈阳 110168)

强降雨或长时间降雨引起的边坡破坏对人类生命和财产造成了重大损失，分析降雨过程中边坡渗流场和稳定性随时间和空间的动态变化对边坡稳定性研究和预测有重要意义。不同降雨类型是边坡失稳破坏的主要因素之一，结合饱和-非饱和渗流理论，研究不同降雨类型下边坡渗流场的变化规律。结果表明：不同降雨类型条件下，计算时间停止后，边坡入渗深度有很大差别，边坡稳定安全系数随降雨循环次数增大而逐渐减小；体积含水率和孔隙水压力改变深度随降雨循环次数增大而逐渐增大。

降雨入渗；边坡稳定；降雨类型；孔隙水压力

我国南方地区，经常出现历时长、强度大、分布广的降雨，这是滑坡、泥石流等自然灾害出现的主要诱导因素，据统计强降雨或者长时间的降雨会引发滑坡的出现，即边坡的变形破坏与降雨入渗有密切的关系[1-2]。Lumb[3]率先研究了香港地区降雨和滑坡的关系，研究了地质条件和降雨特性对斜坡稳定性的影响。Buckingham[4]绘制了土壤学中的第一条土壤持水曲线。

本文采用饱和-非饱和渗流理论分析降雨条件下边坡渗流场[5-6]的特性，研究不同降雨条件下边坡孔隙水压力、体积含水率的形成与变化规律，最后对降雨入渗过程中边坡稳定·非稳定渗流场[7-9]进行计算，并分析降雨过程中边坡的稳定性。这对研究降雨条件下边坡变形破坏机理，进行边坡变形破坏预测有重要的指导意义。

1 计算原理与模型建立

1.1 计算原理

非饱和土是一种多孔介质材料，当土体的含水率发生改变时，其体积、渗透性和强度等都会出现较大的变化[10]。边坡的降雨入渗是一个从非饱和到饱和的过程，降雨过程中边坡的表层会出现暂态饱和区，在此过程中土体的渗透系数、体积含水率等都是变动的，因此描述降雨入渗过程的饱和-非饱和渗流理论[11]是非常重要的基础理论。

非饱和土渗流基本方程[12]：

(1)

式中：kwx、kwy、kwz分别为x，y，z三个方向的渗透系数；Q为施加的流量边界；mw为与基质吸力变化有关的水的体积变化系数。

1.2 模型的建立

模型[13]的建立基于西南粉质黏土和粉土的相关资料，而降雨强度则以中国气象部门统计的全国降雨资料为标准。计算网格如图1所示，计算网格单元的部分，其中粉质黏土和粉土以0.5m为标准，基岩以1m为标准，因此网格单元的数量为2 443，节点数量为2 511。取位于马道中间竖直截面B的特征点进行渗流结果分析研究。根据不同的降雨类型建立四个方案模拟边坡的降雨入渗过程，并对比不同方案分析降雨对边坡渗流场(体积含水率、孔隙水压力)变化的影响，及边坡稳定安全系数的变化规律。边坡岩土体基本岩土参数如表1和表2所示。

图1 边坡模型图

表2 土层水文参数

2 计算方案

本模型岩土体基本物理力学参数见表1和表2，表层粉质黏土饱和渗透系数为0.1m/d，中间粉土层饱和渗透系数为0.5m/d[14]，基岩渗透系数0.0001m/d，总降雨量为1 080mm，降雨强度保持不变为180mm/d，降雨时间共6d，计算时长为24d，本组方案共分为4种降雨类型。方案1降雨类型为连续降雨6d，降雨停止后18d；方案2降雨类型为连续降雨3d，降雨停止9d，再降雨3d，停止9d；方案3降雨类型为连续降雨2d，降雨停止6d，依次循环，共循环3次；方案4降雨类型为连续降雨1d，停止3d，依次循环，共六个循环。各方案的降雨量之间关系如表3所示。

表3 计算方案

3 边坡稳定变化规律

3.1 降雨入渗对边坡体积含水率的影响

以方案1、方案4为例分析不同降雨类型所导致的边坡体积含水率变化，当降雨为方案1降雨类型时，边坡稳定安全系数最低是在连续降雨6d停止后，这时边坡岩土体体积含水率如图2所示，边坡坡顶入渗深度为4m，形成将近3m的暂态饱和区，坡面存在积水向坡脚流动，在距离坡面2m处形成水流线，坡脚处地下水水位线迅速上升在坡脚处与坡面水流线汇聚，边坡表层土体体积含水率为0.28～0.30之间。当降雨为方案4降雨类型时，边坡稳定性安全系数为最低时为计算结束(24日)，图3所示为计算时长21d最后一个降雨循环停止后的坡岩土体体积含水率，对比图2有很多相似的地方，在A截面入渗深度为7m，边坡坡面存在积水并向坡脚汇聚，在距离坡面0.6m形成水流线，在坡脚处与地下水水位线汇合[15]。边坡表层深2m左右土体体积含水率在0.28～0.30之间，达到饱和形成暂态饱和区，在2m～5m深处，土体体积含水率为0.26～0.28之间，这是由于此次降雨持续时间仅为1d，降雨结束后雨水还没有渗入到此区域所致。

图2 方案1降雨类型体积含水率

图3 方案4降雨类型体积含水率

图4表示4种方案不同降雨形式条件下最后一个循环降雨结束时所对应的边坡中间B截面土体体积含水率随边坡高程的变化规律。从图4中可以看出，4种方案不同降雨类型下边坡稳定安全系数最低时对边坡中间B截面的影响深度各不相同，方案1下边坡的入渗深度为4.5m，在边坡表层土体达到饱和状态，体积含水率为0.3，随着入渗深度加大，入渗底部体积含水率迅速降低，这是由于降雨强度很大，降雨持续条件下土体渗入部分绝大部分都处于饱和状态。方案2下边坡的入渗深度为5.5m，由于中间有9d的间歇期，所以第二轮降雨结束后入渗深度进一步加大，此循环降雨持时较长为3d，降雨停止时此次雨水渗入到边坡入渗面处，所以入渗区底端体积含水率降低同样很快，边坡坡面4m范围内土体处于饱和状态。方案3下最后一个循环降雨停止后(18d)边坡的入渗深度为6.5m，边坡坡面5m范围内土体处于饱和状态，曲线在高程为17m～18m处出现拐点，这是由于降雨持时较短(2d)，此循环降雨结束后，此次入渗深度没有达到边坡渗入区的下端。方案4下最后一个循环降雨停止后(21d)边坡的入渗深度为8m，由于此方案降雨持时仅为1d，所以坡面暂态饱和区范围较为小2m，降雨停止后此循环雨水入渗深度4m左右，但前面降雨已入渗到8m深处，曲线在渗入区出现两个拐点，第一个拐点在深4m处，是由于此次降雨结束后入渗深度，第二个拐点在深6m处，是第一层粉质黏土与第二层粉土的交界处，由于土质的水文参数不同，所以出现拐点。

图4 截面B体积含水率随高程变化

3.2 降雨入渗对边坡土体孔隙水压力的影响

不同降雨类型所导致的边坡土体孔隙水压力如图5、图6所示，方案1条件下，连续降雨6d停止时边坡表层出现暂态饱和区，孔隙水压力大于0，深度距坡面大概2m左右，坡面存在积水向坡脚汇聚坡脚处，坡脚处坡面水流线与地下水水位线汇合。方案4条件下最后一个循环降雨1d停止时(第21日)，从图6中可以看出由于降雨强度很大边坡表层存在积水向坡脚流动，边坡表层1m处出现暂态饱和区，暂态饱和区内土体孔隙水压力大于0，暂态饱和区下面土体孔隙水压力为0kPa～-10kPa，此区域宽度大概为2m，边坡渗流区域孔隙水压力大部分在-20kPa～0kPa之间，雨水在边坡中间入渗深度较深，但仍没有渗透B截面到达地下水水位线。

图5 方案1降雨类型孔隙水压力

图6 方案4降雨类型孔隙水压力

图7 截面B孔隙水压力随高程变化

图7表示4种不同降雨形式条件下最后一个循环降雨结束时所对应的边坡中间B截面土体孔隙水压力随边坡高程的变化规律。从图7中可以看出，四种不同降雨类型对边坡中间B截面的影响深度各不相同，前两种降雨类型曲线在渗入段只有一个拐点，这是由于降雨时间较长，降雨停止时雨水已入渗到渗入区的下端；后两种降雨类型曲线在渗入区有两个拐点，由于降雨持时较短，降雨结束后此次降雨中的雨水没有渗入到入渗区的最底端，最底端是由前面降雨所影响的孔隙水压力的改变，所以会出现两个拐点。从图中还可以看出降雨持续时间越长边坡表面土体孔隙水压力越大，这是由于降雨强度大于土体入渗能力，所以边坡表面存在积水，降雨时间越长积水相对越深。

3.3 降雨入渗对边坡稳定安全系数的影响

4种不同降雨类型所导致的边坡稳定安全系数如表4和图8所示，降雨前边坡初始安全系数为1.1685，方案1降雨使边坡稳定安全系数降低0.0573，降低率为4.91%，方案2使边坡稳定安全系数降低6.19%，前两种方案使边坡稳定安全系数降低较小，这是由于降雨强度很大，边坡岩土体渗透系数较小时，连续集中降雨使雨水大部分没有渗入到边坡岩土体内部，而是顺着坡面流入到坡底，最终流到地势较低的地方。方案3使安全系数降低8.16%，方案4使边坡稳定安全系数降低了0.1882，降低率高达16.11%，说明当降雨强度很大时，降雨在时间上相对较分散，对边坡的危害更大，这种情况在南方进入到雨季以后经常发生，所以对于潜在滑动的边坡，做好相应排水的同时也要相应做好加固措施。

图8 不同降雨类型下边坡稳定安全系数随时间变化

4 结论

本文运用GeoStudio软件对不同降雨类型下边坡稳定性进行了深入的计算分析，得出以下结论：

(1) 总降雨量(1 080mm)、降雨强度(180mm/d)、降雨时间(6d)均不变，计算时长24d。则不同降雨类型条件下，计算时间停止后，边坡入渗深度有很大差别。边坡稳定安全系数随降雨循环次数增大而逐渐减小，当降雨时间相对分散时，使雨水入渗在时间上存在滞后的现象，这种减小更加明显。若降雨强度较小，边坡岩土体渗透性较大时，这种现象基本不会出现。

(2) 不同降雨类型条件下，计算时间停止后，边坡入渗深度有很大差别，体积含水率和孔隙水压力改变深度随降雨循环次数增大而逐渐增大。

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Slope Stability Analysis Under Different Rainfall Types

WANG Ningwei, YAN Keshun, LIANG Jiahao

(SchoolofCivilEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang,Liaoning110168,China)

The damage happened on slope which is under heavy rainfall or long-time rainfall caused a great loss to human life and property, the dynamic analysis of the temporal and spatial variation of slope seepage and stability in the process of rainfall has important significance for the research and prediction of slope stability. Different types of rainfall are one of the main factors of slope failure, and the variation law of seepage field of slope under different rainfall types is studied by using saturated-unsaturated seepage theory. The results show that the slope safety depth decreases with the increase of the number of rainfall cycles, and the depth of volume and pore water pressure decreases with the increase of the rainfall depth.

rainfall infiltration; slope stability; rainfall type; pore water pressure

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.029

2017-03-23

2017-04-24